廖進(jìn)星

浩吉鐵路膨脹巖高邊坡降雨入滲穩(wěn)定性分析

廖進(jìn)星

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

浩吉鐵路盧氏盆地第三系弱膠結(jié)膨脹性極軟巖邊坡高度大、段落長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高，膨脹巖高邊坡穩(wěn)定性便成為控制性工程技術(shù)問(wèn)題。以盧氏站103 m高的膨脹巖邊坡為例，結(jié)合膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)、膨脹力、干濕循環(huán)強(qiáng)度等力學(xué)試驗(yàn)成果，開(kāi)展降雨和干濕循環(huán)等極端條件下邊坡穩(wěn)定性分析。研究結(jié)果表明：膨脹巖邊坡工程設(shè)計(jì)需采取分級(jí)預(yù)加固、坡面錨固、系統(tǒng)防排水措施相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念；膨脹巖剪切強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，在干濕循環(huán)達(dá)到8次后剪切強(qiáng)度基本穩(wěn)定；降雨和干濕循環(huán)作用下，錨索受力明顯持續(xù)增加，錨固樁受力變化不明顯，錨固樁對(duì)膨脹巖邊坡變形和穩(wěn)定的控制效果更為明顯和有效；隨著降雨和干濕循環(huán)次數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定，最終邊坡安全系數(shù)為1.30，長(zhǎng)期條件下邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。研究成果可為工程安全施工和健康運(yùn)營(yíng)提供相關(guān)理論依據(jù)和技術(shù)支持。

浩吉鐵路；膨脹巖；高邊坡；邊坡穩(wěn)定性；降雨入滲；干濕循環(huán)；預(yù)加固設(shè)計(jì)

膨脹巖是一種含有蒙脫石、伊利石等黏土礦物的軟質(zhì)巖[1]，在全國(guó)有20多個(gè)省區(qū)廣泛分布，東起山東，西至新疆；南起廣東，北至黑龍江均有分布，其中以湖北、河南、云南、廣西等地的膨脹巖分布最為典型[2?3]。與土質(zhì)地基相比，膨脹巖具有較大的強(qiáng)度、較高的變形模量，在封閉良好的條件下一般具有較好的地基承載力特性[4]。由于膨脹巖具有吸水急速膨脹軟化、失水迅速收縮開(kāi)裂及反復(fù)脹縮的變形特征，在濕度、溫度、應(yīng)力和地下水等環(huán)境因素變化時(shí)，產(chǎn)生膨脹壓力、膨脹變形以及強(qiáng)度的顯著降低，導(dǎo)致工程災(zāi)害的發(fā)生，極易導(dǎo)致膨脹巖邊坡吸水膨脹軟化而發(fā)生失穩(wěn)破壞、膨脹巖地基積水浸泡強(qiáng)度降低[5]。近年來(lái)，在膨脹巖地區(qū)工程建設(shè)過(guò)程中，路面、邊坡的變形和失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生，給建筑、鐵路、公路等工程造成嚴(yán)重的破壞，工程病害的處置也花費(fèi)了較大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)[6?9]。膨脹巖工程問(wèn)題一直是困擾我國(guó)巖土工程安全建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的技術(shù)難題[10]。浩吉鐵路盧氏盆地廣泛分布第三系弱膠結(jié)粉砂質(zhì)泥巖等極軟巖，具弱~中等膨脹性。受地形條件、站場(chǎng)選址等因素的控制，線路沿洛河河谷通過(guò)，沿線挖深＞30 m的膨脹巖深路塹有20段，其中盧氏車站膨脹巖路塹挖深達(dá)103 m。由于夏季多雨冬季干旱、年季干濕循環(huán)歷程明顯，外界環(huán)境對(duì)膨脹巖特性的影響更為顯著，加之邊坡高、巖體強(qiáng)度低且具膨脹性、工程風(fēng)險(xiǎn)高，膨脹巖高邊坡穩(wěn)定性是該鐵路項(xiàng)目路基工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文以盧氏站膨脹巖高邊坡為例，結(jié)合膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)、膨脹力、干濕循環(huán)強(qiáng)度等力學(xué)試驗(yàn)成果，開(kāi)展了降雨和干濕循環(huán)等極端條件下邊坡穩(wěn)定性分析，以期為工程設(shè)計(jì)、施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程及地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

盧氏車站位于河南省三門峽市盧氏縣文峪鄉(xiāng)，屬中低山區(qū)丘陵地貌，總體呈西北低、東南高趨勢(shì)，地勢(shì)起伏較大，自然坡度約15°～45°，相對(duì)高差30～60 m。坡頂及山坡為第四系厚層黃土覆蓋，自然邊坡較穩(wěn)定，地表植被不發(fā)育，以雜草及灌木為主，局部被辟為農(nóng)田、果園。坡腳處偶見(jiàn)基巖出露。

1.2 氣候及水文環(huán)境

屬于豫西山地溫涼濕潤(rùn)區(qū)，四季分明，地勢(shì)較高，氣候溫涼。年平均氣溫?cái)z氏12.6 ℃，最高氣溫42.1 ℃，最低氣溫?19.1 ℃；歷年平均降水量647.8 mm，年最大降水量為1 011.7 mm(1958年)，降水主要集中在7～9月。車站范圍無(wú)地表水出露；地下水為少量第四系孔隙水及基巖裂隙水，接受大氣降水，隨季節(jié)性變化明顯，勘探過(guò)程中斜坡區(qū)域揭示地下水。

1.3 地層巖性

深路塹范圍主要巖土層自上而下依次為：

第四系上更新統(tǒng)(Q3al)黏質(zhì)黃土：淺黃色、褐黃色，硬塑，土質(zhì)較均勻，局部含少量礫石、鈣質(zhì)結(jié)核，層厚約6～8 m。

下第三系盧氏組(E2l)粉砂質(zhì)泥巖：全風(fēng)化層厚0～7 m，淺黃色，褐紅色；強(qiáng)風(fēng)化層厚10～17 m，其下為弱風(fēng)化層，巖體褐黃色，棕紅色，夾淺灰色、灰綠色條帶，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物及石英，巖質(zhì)軟，弱膠結(jié)，易崩解，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖。未見(jiàn)明顯地質(zhì)構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為216°∠20°，橫斷面視傾角3°，傾向左側(cè)，邊坡巖層平緩略呈反傾狀。

1.4 巖體膨脹性測(cè)試

粉砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度為0.41～6.96 MPa，為極軟巖。膨脹性測(cè)試成果為：1) 飽和吸水率試驗(yàn)21組，6組崩解，其余15組飽和吸水率7.49%～13.0%，平均值10.0%。2) 膨脹力試驗(yàn)10組，6組崩解，其余4組膨脹力13～150 kPa，平均值50 kPa。3) 自由膨脹率試驗(yàn)10組，6組崩解，其余4組軸向自由膨脹率0.2%～0.7%，平均值0.5%，徑向自由膨脹率0.1%～0.2%，平均值0.2%。4) 巖樣粉碎后測(cè)試，自由膨脹率16%～55%，蒙脫石含量4.59%～36.6%，陽(yáng)離子交換量93.91～387.89 mmol/kg。綜合判定盧氏站粉砂質(zhì)泥巖具弱～中等膨脹性，局部強(qiáng)膨脹性。巖體膨脹性測(cè)試部分巖芯和開(kāi)挖揭示巖體照片如圖1所示。

(a) 巖心照片；(b) 開(kāi)挖揭示巖體

1.5 高邊坡加固設(shè)計(jì)理念

盧氏站高邊坡特點(diǎn)為：1) 高度大，邊坡最高達(dá)103 m。2) 巖質(zhì)軟，平均飽和抗壓強(qiáng)度2.06 MPa，為極軟巖。3) 路塹邊坡巖體具弱～中膨脹性，夏季多雨冬季干旱、年季干濕循環(huán)歷程極為明顯，外界環(huán)境對(duì)膨脹巖特性的影響更為顯著，工程風(fēng)險(xiǎn)更高。邊坡工程設(shè)計(jì)采取了分級(jí)預(yù)加固[11]、坡面錨固、系統(tǒng)防排水措施相結(jié)合的理念，具體如下：

1) 合理確定邊坡分級(jí)。邊坡高8 m一級(jí)，坡率1:1.5，平臺(tái)寬3 m。每3級(jí)邊坡設(shè)置一處寬10～20 m的大平臺(tái)，減小邊坡開(kāi)挖施工對(duì)上級(jí)邊坡變形、穩(wěn)定的影響。巖質(zhì)邊坡采用框架錨桿(錨索)防護(hù)；黃土邊坡采取拱形截水骨架防護(hù)。

2) 分級(jí)預(yù)加固措施。坡腳設(shè)錨固樁+樁間墻錨固措施，寬平臺(tái)上部一級(jí)邊坡設(shè)置預(yù)加固錨固樁。樁頂邊坡坡面采用框架錨索防護(hù)措施，與錨固樁共同作用組成強(qiáng)腰固腳的作用。其余邊坡坡面采用框架錨桿防護(hù)措施。

3) 排水措施：在塹頂5 m以外設(shè)截水溝．防止地表徑流流入邊坡而沖刷坡面。坡面排水通過(guò)設(shè)置排水溝、邊溝平臺(tái)截水溝、急流槽等將水引入自然溝中。邊坡平臺(tái)采用漿砌片石對(duì)其進(jìn)行封閉，以保證其安全可靠。

代表性設(shè)計(jì)斷面，如圖2所示。

圖2 代表性設(shè)計(jì)斷面

2 膨脹巖水理特性

為研究膨脹巖在干濕循環(huán)條件下的膨脹力、強(qiáng)度特性，開(kāi)展了飽水前后電鏡掃描試驗(yàn)、不同初始含水率膨脹力試驗(yàn)、不同干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度 試驗(yàn)。

2.1 飽水前后微觀分析

電鏡掃描試驗(yàn)(圖3)表明：膨脹巖黏土礦物顆粒形態(tài)主要為卷曲狀和彎曲片狀，顆粒之間以面-面相疊和邊?面相疊的形態(tài)聚集在一起，其中：膠結(jié)物中的黏土礦物粒徑在10～30 μm，粒徑之間的膠結(jié)形式主要為孔隙充填式；伊利石礦物表現(xiàn)為顆粒狀，粒徑約為50 μm左右；石英和方解石等礦物，粒徑大小在30 μm左右，主要分布在黏土礦物排列形成的孔隙中。

浸水前膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，裂隙基本不發(fā)育；飽水后，膨脹巖微觀裂縫發(fā)育明顯，微裂隙明顯增多。微裂隙的發(fā)育使得水分進(jìn)入巖體內(nèi)部空間的概率和水量明顯增加，導(dǎo)致膨脹巖強(qiáng)度降低。

2.2 膨脹力變化規(guī)律

不同初始含水率的巖樣，在不同軸向壓力條件下膨脹巖吸水飽和后的膨脹量測(cè)試[12]，如圖4所示。結(jié)果表明：隨著初始含水率從7%增到13%，膨脹力變化速率呈逐漸減小的趨勢(shì)。通過(guò)插值分析獲取膨脹量為0時(shí)的對(duì)應(yīng)圖中的加壓荷載即為該初始含水率條件下的巖石最大膨脹力，獲取了初始含水率為7%，9%，11%和13%條件下的膨脹力分別184.1，80.5，61.7和40 kPa，膨脹力與初始含水率0的關(guān)系采用冪函數(shù)擬合，其相關(guān)性好，關(guān)系式如下：

(a) 浸水前；(b) 飽水后

圖3 飽水前后膨脹巖電鏡掃描圖像

Fig. 3 SEM images of swelling rock before and after water saturation

圖4 不同初始含水率、不同軸向壓力條件下膨脹量

2.3 膨脹巖干濕循環(huán)強(qiáng)度變化特性

開(kāi)展了初始含水率為0=5%，10%，15%，含水率變化量Δ=5%條件下，不同干濕循環(huán)次數(shù)的膨脹巖三軸剪切試驗(yàn)[13?14]，圖5為0=5%時(shí)不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

(a) σ3=100 kPa；(b) σ3=200 kPa；(c) σ3=300 kPa

表明在相同圍壓、相同干濕循環(huán)條件下剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而先迅速增大后逐漸趨于穩(wěn)定，應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷下降，但下降程度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減緩，當(dāng)干濕循環(huán)大于一定次數(shù)時(shí)，應(yīng)力?應(yīng)變曲線基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹巖強(qiáng)度的影響基本達(dá)到最大。

不同初始含水率、不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹巖強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。在不同初始含水率條件下粘聚力與內(nèi)摩擦角都隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，在干濕循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后黏聚力和內(nèi)摩擦角基本處于穩(wěn)定。

表1 不同初始含水率下黏聚力、內(nèi)摩擦角一覽表

3 高邊坡滲流穩(wěn)定性分析理論

3.1 滲流方程求解的數(shù)值方法

3.1.1 非飽和滲流控制方程

二維滲流的一般控制微分方程可表達(dá)為：

式中：為總水頭；k為方向的滲透系數(shù)；k為方向的滲透系數(shù)；為施加的邊界流量；為單位體積含水量；為時(shí)間。

Fredlund和Morgenstern提出用2個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)描述飽和與非飽和條件下的應(yīng)力狀態(tài)[8]，這2個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量分別是基質(zhì)吸力(u?u)和(?u)。其中，為總應(yīng)力，u為孔隙水壓力，u為孔隙氣壓力。

假設(shè)降雨入滲過(guò)程中，不存在土的卸載和加載過(guò)程，而且孔隙氣壓式中保持為恒定大氣壓。這就相當(dāng)于(?u)在計(jì)算過(guò)程中始終保持不變，且不影響單位體積含水量。單位體積含水量的改變僅僅依賴于基質(zhì)吸力(u?u)的變化。由于u即為常規(guī)大氣壓，為一固定常量，因此單位體積含水量的變化僅僅是孔隙水壓力變化量的函數(shù)[5]。單位體積含水量與孔隙水壓力的關(guān)系如下：

式中：m為儲(chǔ)水曲線的斜率，表示為體積的含水量對(duì)于(u?u)的偏導(dǎo)數(shù)的負(fù)值。

總水頭定義為：

式中：u為孔隙水壓力；γ為水的容重；為高程。

將式(5)整理后代入式(4)得到：

將式(6)代入式(3)得：

由于高程屬于常量，對(duì)時(shí)間求導(dǎo)后為0，因此，滲流的微分控制方程的最終表達(dá)式為：

3.1.2 滲流方程的定解條件

滲流方程的定解條件包括初始條件和邊界 條件。

1) 初始條件

2) 邊界條件

水頭邊界Г1：

流量邊界Г2：

混合邊界條件條件Г3：

3.1.3 滲流方程的數(shù)值方法

采用加權(quán)余量的伽遼金方法對(duì)滲流控制方程轉(zhuǎn)化，得到二維滲流方程的有限元格式[7]：

式中：[]為梯度矩陣；[]為單元滲透系數(shù)矩陣；{}為節(jié)點(diǎn)水頭向量；<>為插值函數(shù)向量；為穿過(guò)單元邊界的單位流量；為單元厚度；為時(shí)間；為存儲(chǔ)相，對(duì)瞬態(tài)滲流等于mγ；為在單元面積上的求和符號(hào)；為在單元邊界長(zhǎng)度上的求和符號(hào)。

有限元滲流方程可以以簡(jiǎn)化形式表達(dá)，該方程式是瞬態(tài)滲流分析的通用有限元方程，如下：

[]{}+[]{}={} (14)

式中：[]為單元特征矩陣；[]為單元質(zhì)量矩陣；{}為單元上施加的流量矢量。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析，水頭不是時(shí)間的函數(shù)，因此，{}，這一項(xiàng)為0，即轉(zhuǎn)化為基本滲流方程?達(dá)西定律的簡(jiǎn)化形式：

[]{}={} (15)

3.2 應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系求解的數(shù)值方法

3.2.1 非飽和土本構(gòu)關(guān)系的張量形式

按照Fredlund and Rahardjo的研究成果[6]，以增量的形式描述非飽和土介質(zhì)的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系：

假設(shè)大氣壓在任意時(shí)刻保持不變，則上式可繼續(xù)簡(jiǎn)化為：

當(dāng)土體為飽和狀態(tài)時(shí)，土體骨架上的總應(yīng) 力為：

3.2.2 應(yīng)力?應(yīng)變有限元方程

僅有外部點(diǎn)荷載{}被施加時(shí)，利用虛功原 理得：

式中：{*}為虛應(yīng)變；{*}為虛位移；{Δ}為內(nèi) 應(yīng)力。

將式(19)代入式(17)，并進(jìn)行數(shù)值積分，令[]= ∑[]T[][]，[]=∑[]{m}，得到應(yīng)力?應(yīng)變矩陣方程如下：

式中：[]為梯度矩陣(或應(yīng)變矩陣)；[]為排水本構(gòu)矩陣；[]為剛度矩陣；[]為耦合矩陣；{Δ}為增量位移矢量；{Δu}為增量孔隙水壓力矢量。

3.3 分析步驟

開(kāi)展降雨入滲條件下的膨脹巖邊坡數(shù)值計(jì)算分析時(shí)，求解步驟如下：

① Slide軟件滲流計(jì)算模塊基于飽和-非飽和滲流計(jì)算理論，采用該模塊求解降雨入滲的瞬態(tài)滲流方程(公式(15))，利用滲流場(chǎng)的結(jié)果作為已知的水力邊界條件，對(duì)降雨過(guò)程中邊坡雨水入滲規(guī)律進(jìn)行分析，得到在不同降雨強(qiáng)度、不同干濕循環(huán)次數(shù)下邊坡體內(nèi)孔隙水壓力和體積含水率在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律。

②以Slide中滲流計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，將模型中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力等相關(guān)信息導(dǎo)入FLAC3D中，進(jìn)行應(yīng)力?應(yīng)變矩陣平衡方程的求解(公式(20))，利用上節(jié)膨脹巖強(qiáng)度參數(shù)衰減規(guī)律對(duì)降雨條件下邊坡入滲區(qū)域巖土材料參數(shù)進(jìn)行賦值演算。

③通過(guò)FLAC3D分析計(jì)算，得到膨脹巖邊坡變形場(chǎng)、應(yīng)力?應(yīng)變場(chǎng)及錨固樁、錨索結(jié)構(gòu)受力等特征量的變化和分布規(guī)律[15]，分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)采用其內(nèi)置的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。

4 降雨工況邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 分析方案

基于膨脹巖干濕循環(huán)強(qiáng)度試驗(yàn)的成果，以高邊坡滲流穩(wěn)定性分析理論為基礎(chǔ)，制定了膨脹巖邊坡干濕循環(huán)作用下的穩(wěn)定性研究方案：1) 無(wú)降雨工況，邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)、重度采用初始強(qiáng)度，不考慮膨脹力的影響；2) 中雨工況、暴雨工況，循環(huán)次數(shù)分別取為2，4，6和8次，邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)、重度根據(jù)降雨滲流場(chǎng)擬合修正，膨脹力根據(jù)滲流場(chǎng)巖體含水率確定，中雨、暴雨的降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間按表2取值[9]。以分析在不同降雨與干濕循環(huán)作用下，邊坡的破壞模式和穩(wěn)定性狀態(tài)。

表2 盧氏地區(qū)降雨類型統(tǒng)計(jì)

4.2 降雨工況邊坡穩(wěn)定性

邊坡潛在不利滑動(dòng)面如圖6所示，分析得到不同中雨和暴雨工況干濕循環(huán)條件下邊坡安全系數(shù)，分析表明：1) 隨著降雨次數(shù)的增加，邊坡整體的安全系數(shù)逐漸降低，長(zhǎng)時(shí)間的降雨入滲和干濕循環(huán)對(duì)邊坡的影響明顯。2) 在干濕循環(huán)作用下，邊坡的安全系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。在中雨作用時(shí)，在0，2，4，6和8次循環(huán)后，對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.66，1.53，1.50，1.48和1.45，而在暴雨作用下對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.66，1.45，1.41，1.38和1.30。3) 邊坡安全系數(shù)均在1.25以上，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

圖6 邊坡潛在不利滑動(dòng)面

4.3 降雨工況邊坡附加變形分析

圖7為中雨與暴雨的干濕循環(huán)條件下，邊坡開(kāi)挖完成后邊坡深層水平位移曲線圖?？芍?) 雖然降雨條件不同，但邊坡的變形趨勢(shì)基本一致，僅在變形量值上存在差異。邊坡變形沿深度方向迅速減小，邊坡變形主要位于邊坡表層0～4 m范圍，即主要位于膨脹巖大氣影響深度范圍內(nèi)。2) 一次明顯的降雨入滲及干濕循環(huán)，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生較大的附加變形，邊坡表層變形接近5 mm，之后隨降雨入滲及干濕循環(huán)的增加，邊坡表層變形增加較小，并逐漸趨于穩(wěn)定，多次降雨入滲及干濕循環(huán)邊坡表層變形最大約為6 mm。3) 降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡變形影響較小，暴雨工況僅略大于中雨工況。

(a) 中雨條件下；(b) 暴雨條件下

4.4 降雨工況錨索受力分析

圖8為循環(huán)降雨條件下錨索的受力分布圖，分析表明：1) 在無(wú)干濕循環(huán)作用下，錨索受力的最大值出現(xiàn)在坡面處，當(dāng)邊坡在干濕循環(huán)作用下時(shí)錨桿受力的最大部位為距埋深約6 m處，呈現(xiàn)出先增加而后急劇減少的趨勢(shì)；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，錨索受力的影響區(qū)域逐漸加深。2) 降雨入滲和干濕循環(huán)對(duì)錨索受力增加明顯。邊坡在中雨干濕循環(huán)條件下，錨索所受的最大拉力值增加明顯，錨索受力從無(wú)循環(huán)的250 kN增加到8次干濕循環(huán)后的450 kN；坡體干濕循環(huán)每增加1次，錨索的最大受力約增加20～30 kN。3) 暴雨干濕循環(huán)相對(duì)于中雨干濕循環(huán)條件下，在0～6 m區(qū)域錨索的內(nèi)力變化略大，最大約增加50 kN；在6 m以后錨索內(nèi)力變化規(guī)律基本相同，呈現(xiàn)線性平穩(wěn)減小的變化趨勢(shì)。錨索受力均在設(shè)計(jì)值500 kN以內(nèi)，錨索受力滿足正常使用工況要求。

(a) 中雨條件下；(b) 暴雨條件下

(a)，(b) 中雨條件下；(c)，(d) 暴雨條件下

4.5 降雨工況錨固樁受力分析

圖9為中雨和暴雨循環(huán)降雨條件下錨固樁的剪力和彎矩受力分布圖。分析表明：1) 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)錨固樁的剪力和彎矩的影響均不明顯，干濕循環(huán)1次后相對(duì)于無(wú)干濕循環(huán)時(shí)錨固樁剪力從300 kN增加到580 kN，彎矩從450 kN·m增加到600 kN·m，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加在近坡體(0～6 m)其內(nèi)力增加不明顯，6 m后內(nèi)力隨著循環(huán)次數(shù)增加而稍有增加。2) 干濕循環(huán)次數(shù)使得錨固樁內(nèi)力隨樁體埋深呈現(xiàn)了波動(dòng)變化趨勢(shì)，循環(huán)次數(shù)越多內(nèi)力對(duì)樁體的影響深度越深，波動(dòng)范圍亦越大，其值隨著埋深增加逐漸減小。3) 運(yùn)營(yíng)期中雨和暴雨的干濕循環(huán)對(duì)錨固樁受力的趨勢(shì)無(wú)影響，僅在量值上存在一定 影響。

5 結(jié)論

1) 含水率和干濕循環(huán)對(duì)膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度影響明顯。浸水前膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，裂隙基本不發(fā)育，飽水后微觀裂縫明顯增多。膨脹巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角都隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在干濕循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后基本趨于穩(wěn)定。

2) 隨著降雨次數(shù)增加，邊坡安全系數(shù)逐漸降低，長(zhǎng)時(shí)間降雨入滲和干濕循環(huán)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響明顯，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均在1.25以上，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。第1次降雨入滲及干濕循環(huán)，邊坡變形主要發(fā)生在表層0～4 m范圍內(nèi)，后續(xù)多次降雨入滲及干濕循環(huán)條件下邊坡附加變形增加較小。

3) 降雨入滲和干濕循環(huán)對(duì)錨索受力增加明顯，坡體干濕循環(huán)每增加1次，錨索的最大受力約增加20～30 kN，錨索受力均在設(shè)計(jì)值500 kN以內(nèi)，錨索受力滿足正常使用工況要求。降雨入滲和干濕循環(huán)對(duì)錨固樁的剪力和彎矩的影響均不明顯，第1次干濕循環(huán)錨固樁內(nèi)力增加明顯，之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加錨固樁內(nèi)力增加不明顯。錨固樁對(duì)于膨脹巖邊坡變形和穩(wěn)定的控制效果更為明顯和有效。

4) 盧氏站膨脹巖邊坡施工完成后已經(jīng)3個(gè)雨季，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)良好，理論分析和實(shí)踐表明，浩吉鐵路膨脹巖高邊坡采取分級(jí)預(yù)加固、坡面錨固、系統(tǒng)防排水措施的綜合設(shè)計(jì)理念，保證了膨脹巖高邊坡安全施工和健康運(yùn)營(yíng)，并可為其它項(xiàng)目膨脹巖邊坡工程提供參考和借鑒。

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Stability analysis of high slope of swelling rock under rainfall infiltration of Haolebaoji-Ji'an Railway

LIAO Jinxing

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Swelling soft rock is widely distributed in Lushi basin of Haolebaoji-Ji’an railway. The swelling soft rock slopes are high, long and high-risk. The stability of swelling rock slopes is a control engineering technical problem in this railway. The stability analysis of 103-meters-high swelling rock slope at Lushi station under rainfall infiltration and dry-wet cycles was carried out, based on the data of the microstructure, swelling force and dry-wet cycle strength test. The results show that: (1) The design concept of swelling rock slope is pre-reinforcement, slope anchoring and systematic waterproof and drainage measures. (2) The shear strength decreases with the increase of dry-wet cycles, and the shear strength is basically stable after 8 cycles. (3) Under the action of rainfall infiltration and dry wet cycles, the stress of anchor cable increases continuously, and the stress change of anchor pile is not obvious. The anchor pile is effective on swelling rock slope stability control. (4) With the increase of rainfall and dry wet cycle times, the safety factor of the slope gradually decreases and tends to be stable. The final safety factor of the slope is 1.30, and the slope is in a stable and safe state under long-term conditions. The research results provide theoretical basis and support for safe construction and healthy operation of the project.

Haolebaoji-ji’an railway; swelling rock; high slope; slope stability; rainfall infiltration; dry wet cycle; pre reinforcement design

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20201213

U213.1+3

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0908 ? 10

2020?12?22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2019YFC0605100)

廖進(jìn)星(1979?)，男，湖北潛江人，高級(jí)工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)研究與管理工作；E?mail：139057569@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)